AC tápegység és teljesítményveszteségek

A csak aktív ellenállásokkal rendelkező áramkör teljesítményét P aktív teljesítménynek nevezzük. Ezt a szokásos módon a következő képletek egyikével számítjuk ki:

Az aktív teljesítmény az aktuális energia irreverzibilis (irreverzibilis) fogyasztását jellemzi.

Láncokban váltakozó áram sokkal több ok okoz helyrehozhatatlan energiaveszteséget, mint az egyenáramú áramkörökben. Ezek az okok a következők:

1. A huzal fűtése árammal… Egyenáram esetén a fűtés az energiaveszteség szinte egyetlen formája. Az egyenárammal azonos értékű váltóáramnál pedig nagyobb a huzal fűtésének energiavesztesége a felületi hatás miatti ellenállásnövekedés miatt. A magasabb jelenlegi frekvencia, annál inkább érinti felületi hatás és a nagyobb veszteség a huzal melegítésénél.

2. Örvényáramok, más néven Foucault-áramok keletkezésének veszteségei… Ezek az áramok váltakozó árammal generált mágneses térben indukálódnak minden fémtestben. A cselekvésből légörvény a fémtestek felmelegszenek.Különösen jelentős örvényáram-veszteség figyelhető meg az acélmagoknál. Az örvényáramok létrehozásához szükséges energiaveszteségek gyakoriságának növekedésével nőnek.

Örvényáramok - masszív magban, b - lamellás magban

3. Mágneses hiszterézis elvesztése... Változó mágneses tér hatására a ferromágneses magok újramágneseződnek. Ebben az esetben a magrészecskék kölcsönös súrlódása lép fel, aminek következtében a mag felmelegszik. A frekvencia növekedésével a veszteségek a mágneses hiszterézis növekszik.

4. Veszteségek szilárd vagy folyékony dielektrikumban... Az ilyen dielektrikumokban a váltakozó elektromos tér molekulák polarizációja, vagyis a töltések a molekulák ellentétes oldalán jelennek meg, egyenlő értékű, de eltérő előjellel. A polarizált molekulák a mező hatására forognak, és kölcsönös súrlódást tapasztalnak. Emiatt a dielektrikum felmelegszik. A frekvencia növekedésével a veszteségei nőnek.

5. Szigetelés szivárgási veszteségei… A felhasznált szigetelőanyagok nem ideális dielektrikumok és szivárgási szivárgások figyelhetők meg bennük. Más szavakkal, a szigetelési ellenállás, bár nagyon magas, nem egyenlő a végtelennel. Ez a fajta veszteség egyenáramban is létezik. Magas feszültségen még az is lehetséges, hogy töltések áramlanak a vezetéket körülvevő levegőbe.

6. Elektromágneses hullámok sugárzása miatti veszteségek… Bármilyen AC kábel elektromágneses hullámokat bocsát ki, és a frekvencia növekedésével a kibocsátott hullámok energiája meredeken növekszik (a frekvencia négyzetével arányosan).Az elektromágneses hullámok visszafordíthatatlanul elhagyják a vezetőt, ezért a hullámok kibocsátásához szükséges energiafelhasználás egyenértékű valamilyen aktív ellenállás veszteségével. A rádióadó-antennákban ez a fajta veszteség hasznos energiaveszteség.

7. Veszteségek más áramkörökbe történő energiaátvitelnél... Ennek következtében elektromágneses indukció jelenségei néhány váltakozó áram átkerül az egyik áramkörből a másik közeli áramkörbe. Bizonyos esetekben, például transzformátoroknál, ez az energiaátvitel előnyös.

Az AC áramkör aktív ellenállása figyelembe veszi az összes felsorolt ​​nem helyrehozható energiaveszteséget... Soros áramkör esetén az aktív ellenállást az aktív teljesítmény, az összes veszteség erősségének négyzetéhez viszonyított arányaként határozhatja meg. a jelenlegi:

Így egy adott áramnál az áramkör aktív ellenállása minél nagyobb, minél nagyobb az aktív teljesítmény, vagyis annál nagyobb az összes energiaveszteség.

Az induktív ellenállású áramköri szakaszban lévő teljesítményt Q meddőteljesítménynek nevezzük... A meddőenergiát jellemzi, vagyis azt az energiát, amely nem visszahozhatatlanul elfogy, hanem csak ideiglenesen tárolódik mágneses térben. Az aktív teljesítménytől való megkülönböztetéshez a meddőteljesítményt nem wattban, hanem meddő volt-amperben (var vagy var) mérik... Ebből a szempontból korábban vízmentesnek nevezték.

A meddőteljesítményt a következő képletek egyike határozza meg:

ahol UL az xL induktív ellenállású szakasz feszültsége; Ebben a részben én vagyok az aktuális.

Az aktív és induktív ellenállású soros kapcsolásnál bevezetik az S összteljesítmény fogalmát... Ezt az U teljes áramköri feszültség és az I áram szorzata határozza meg, és volt-amperben (VA vagy VA) fejezzük ki.

Az aktív ellenállású szakasz teljesítményét a fenti képletek egyikével vagy a következő képlettel számítják ki:

ahol φ az U feszültség és az I áram közötti fázisszög.

A cosφ együtthatója a teljesítménytényező… Gyakran hívják "koszinusz phi"… A teljesítménytényező megmutatja, hogy a teljes teljesítmény mekkora része aktív teljesítmény:

A cosφ értéke nullától egységig változhat, az aktív és reaktív ellenállás arányától függően. Ha csak egy van az áramkörben reakcióképesség, akkor φ = 90 °, cosφ = 0, P = 0 és az áramkör teljesítménye tisztán reaktív. Ha csak aktív ellenállás van, akkor φ = 0, cosφ = 1 és P = S, vagyis az áramkörben lévő összes teljesítmény tisztán aktív.

Minél alacsonyabb a cosφ, annál kisebb a látszólagos teljesítmény aktív teljesítmény-része, és annál nagyobb a meddőteljesítmény. De az áram munkáját, vagyis energiájának más típusú energiává való átmenetét csak az aktív erő jellemzi. A meddőteljesítmény pedig azt az energiát jellemzi, amely a generátor és az áramkör meddő része között ingadozik.

Az elektromos hálózat számára haszontalan, sőt káros is. Meg kell jegyezni, hogy a rádiótechnikában a meddőteljesítmény számos esetben szükséges és hasznos. Például az oszcilláló áramkörökben, amelyeket a rádiótechnikában széles körben használnak és elektromos rezgések generálására használnak, ezeknek a rezgéseknek az erőssége szinte tisztán reaktív.
A vektordiagram azt mutatja, hogy a cosφ változása hogyan változtatja meg az I vevőáramot változatlan teljesítmény mellett.

Vevőáramok állandó teljesítményen és különböző teljesítménytényezők vektordiagramja

Mint látható, a cosφ teljesítménytényező fontos mutatója a váltakozó EMF generátor által kifejlesztett összteljesítmény kihasználtságának mértékének... Különös figyelmet kell fordítani arra, hogy cosφ <1 esetén a generátornak létre kell hoznia olyan feszültség és áram, amelynek szorzata nagyobb, mint az aktív teljesítmény. Például, ha az elektromos hálózat aktív teljesítménye 1000 kW és cosφ = 0,8, akkor a látszólagos teljesítmény egyenlő lesz:

Tegyük fel, hogy ebben az esetben a valós teljesítményt 100 kV feszültségen és 10 A áramerősségen kapjuk. A generátornak azonban 125 kV feszültséget kell generálnia ahhoz, hogy a látszólagos teljesítmény legyen

Nyilvánvaló, hogy a generátor használata nagyobb feszültséghez hátrányos, ráadásul magasabb feszültségeknél a vezetékek szigetelését javítani kell, hogy elkerüljük a fokozott szivárgást vagy a károsodást. Ez a villamosenergia-hálózat árának növekedéséhez vezet.

A generátor feszültségének a meddőteljesítmény jelenléte miatti növelésének szükségessége az aktív és meddő ellenállású soros áramkörre jellemző. Ha van egy párhuzamos áramkör aktív és reaktív ágakkal, akkor a generátornak több áramot kell létrehoznia, mint amennyi egyetlen aktív ellenállással szükséges. Más szóval, a generátor további meddőárammal van terhelve.

Például a fenti értékeknél P = 1000 kW, cosφ = 0,8 és S = 1250 kVA, párhuzamosan kapcsolva a generátornak nem 10 A, hanem 12,5 A áramot kell adnia 100 kV feszültség mellett. .ebben az esetben nem csak a generátort kell nagyobb áramerősségre tervezni, hanem az elektromos vezeték vezetékeit, amelyeken keresztül ez az áram áthalad, nagyobb vastagsággal kell venni, ami szintén növeli a vezetékenkénti költséget. Ha a vezetékben és a generátor tekercseiben 10 A-es áramra tervezett vezetékek vannak, akkor egyértelmű, hogy a 12,5 A-es áram fokozott melegítést okoz ezekben a vezetékekben.

Így bár az extra meddő áram a generátor meddőenergiáját átviszi a reaktív terhelésekre és fordítva, de a vezetékek aktív ellenállása miatt szükségtelen energiaveszteséget okoz.

A meglévő elektromos hálózatokban a meddő ellenállású szakaszok sorosan és párhuzamosan is kapcsolhatók aktív ellenállású szakaszokkal. Ezért a generátoroknak megnövekedett feszültséget és megnövelt áramerősséget kell kifejleszteniük, hogy a hasznos aktív teljesítmény mellett meddőteljesítményt hozzanak létre.

Az elmondottakból kitűnik, mennyire fontos a villamosítás szempontjából a cosφ érték növelése… Csökkenését a reaktív terhelések elektromos hálózatba foglalása okozza. Például az alapjáraton vagy nem teljesen terhelt villanymotorok vagy transzformátorok jelentős reaktív terhelést hoznak létre, mivel viszonylag nagy tekercselési induktivitással rendelkeznek. A cosφ növelése érdekében fontos, hogy a motorok és transzformátorok teljes terheléssel működjenek. Létezik több módja a cosφ növelésének.

Végezetül megjegyezzük, hogy mindhárom erőt a következő összefüggés köti össze:

vagyis a látszólagos teljesítmény nem az aktív és meddő teljesítmény számtani összege.Szokás azt mondani, hogy az S hatvány a P és Q hatványok geometriai összege.

Lásd még: Reaktancia az elektrotechnikában